基于聚偏氟乙烯傳感器的心沖擊信號影響因素分析

王 璐 王仲怡 吳子悅 徐敬傲 蔣芳芳 徐禮勝,3 于 濱

1(東北大學計算機科學與工程學院 沈陽 110819)

2(東北大學醫學與生物信息工程學院 沈陽 110819)

3(沈陽東軟智能醫療科技研究院有限公司 沈陽 110167)

4(埃因霍芬理工大學工業設計中心 埃因霍芬 5600)

1 引 言

我國衛生部心血管病防治研究中心 2019 年發布的《中國心血管病報告 2018》[1]數據顯示，中國心血管病現患病人數為 2.9 億人，心血管疾病所導致的死亡人數占城鄉居民總死亡人數 40%以上，高居首位[1]。據調查，中國 60 歲以上老年人有嚴重的睡眠障礙，其中 Meta 分析報道老年人睡眠障礙患病率為 47.2%[2]，且研究顯示老年人睡眠障礙可能增加罹患心血管疾病、高血壓、糖尿病、抑郁、肥胖等疾病的風險[3]，已引起公眾的普遍重視。

心沖擊信號(Ballistocardiography，BCG)是一種反映人體心臟周期性泵血時產生的微弱作用力變化的物理量[4]。這一基本概念早在 19 世紀就已被提出[5]。BCG 信號產生的原理是：當血液流經升主動脈和頸動脈分支時，血液沖擊產生向上的作用力，身體則受到相同大小的反作用力作用；當血液通過降主動脈向下流動時，作用力方向則相反[6]。BCG 信號與心電信號一樣具有周期性，可以反映人體生理信息，如心臟的心音、心排血量等[7]。心沖擊信號帶寬約為 0.6～20 Hz，理想的人體 BCG 信號由 G～N 八段組成，其中 J為正向最大峰值[8]。

目前，BCG 信號的采集方式主要有 4 種：立式、坐式、平躺式和可穿戴式。其中，對平躺式采集裝置而言，當人體平躺時，心臟泵血和呼吸作用會對人體下方的床墊產生反作用力?；谶@一原理，能夠實現一種基于 BCG 信號的非接觸式無感知監護方法，以測量人體在睡眠時的心率、呼吸率以及身體微弱體動，用于長期夜間生理監護和睡眠分析。此外，BCG 技術也能用于替代傳統心電圖和呼吸傳感器對房顫和呼吸暫停等疾病進行篩查。同時，非接觸式傳感器和設備安裝操作簡單，無需專業人士輔助，易用性和用戶體驗較高，進而適用于家庭醫療和自我監護[9]。

當前，針對 BCG、呼吸等體動信號的研究已經成為一個熱點。BCG 信號采集系統的傳感器多數采用 EMFi(Electro-mechanical Film)壓電薄膜傳感器[10-12]、加速度傳感器[13]以及聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)壓電薄膜傳感器[14]。其中，利用加速度傳感器的采集系統較為成熟。村田制造所和歐洲領先的醫療機構合作，成功地利用加速度傳感器采集得到 BCG 信號，并利用算法從信號中提取出患者的心率、心率變異性、呼吸率等生理指標[15]。在信號處理方面，清華大學 Cao 等[16]對 BCG 信號進行希爾伯特-黃變換處理來計算心率。吉林大學王春武等[17]將 BCG 信號與同步采集的 ECG 信號進行相關性分析，為 BCG 應用于臨床診斷提供了可靠依據。河北工業大學姜星等[18]利用經驗模態分解對BCG 信號進行去噪。

本文將 PVDF 壓電薄膜傳感器集成在床墊中，以實現一種無感知的人體心率、呼吸率等基本生命體征的非接觸式監測方法。但 PVDF 傳感器靈敏度較高，輕微的體動干擾就會造成 BCG信號嚴重失真，無法提取有效的 BCG 信號形態特征，從而影響血流動力學的分析。因此，選擇本文所研發系統中傳感器放置位置、床墊硬度以及人體呼吸暫停和躺臥姿勢等常見外界因素對BCG 信號的影響進行研究，為后續利用 BCG 信號評估人體的心率、呼吸等血流動力學生理指標作參考。

2 系統原理與整體方案

壓電薄膜傳感器的核心是 PVDF 壓電薄膜，其具有正壓電效應，能將施加于其上的機械振動信號變為電信號。壓電薄膜由兩個電極與中間的晶體層緊貼構成，其中晶體層中的各個晶格中儲存有永久帶電的電荷。當給壓電薄膜施加外力時，這些晶格會發生形變，電荷的帶電方向也會發生變化，薄膜的兩個電極上則會感應出與作用力大小相對應的電荷[19]。本文所選用的 PVDF 壓電薄膜為泰科電子有限公司生產的 FDT 系列薄型 PVDF 傳感器。該傳感器表面粘貼金屬屏蔽層，并用柔性軟布包裹，使用時對人體無壓迫感，能做到 BCG 信號的無感知測量。

本文利用壓電薄膜傳感器，設計了一種適用于臥姿非接觸式的人體心率、呼吸率等基本生命體征的監測系統。該系統具有結構簡單、檢測條件限制小、監護時間長等特點，尤其適用于夜間長期監護。

本文針對該系統設計了模擬信號變換電路部分、信號采集與處理硬件部分。信號采集部分使用從電荷采集到模數轉換輸入的全差分結構電路，圖 1 為所設計全差分電路示意圖。為采集到精確的微弱 BCG 信號，設計了主動屏蔽層驅動電路等措施進一步降低外界引入的干擾。針對長型 PVDF 傳感器內阻大、輸出電荷微弱、極易引入外界干擾的問題做了優化：在電流/電壓變換電路中使用高靈敏度的運算放大器?？紤]到實用性因素，在電路設計方面首先引入了 2.5 V 直流偏置，且所有運算放大器均只需 0～5 V 供電，具有軌至軌輸出特性；其次，使用的 FDNR 陷波濾波器對電器元件精度要求低，且元件易得。此外，選擇的模數轉換器內部集成了如振蕩器、電壓基準等電路，外部無需其他的驅動電路。這樣整體電路具有結構精巧簡潔，可以使用單 5 V 電源供電，制造成本低等優點。

模擬電路部分采用 Analog Devices 公司AD8641、AD8619 運算放大器、AD8227 儀表放大器，Texas Instrument 公司 OPA350 運算放大器；AD 轉換部分使用 ADS1118 16 位 Σ-δ 型全集成 ADC 芯片，嵌入式信號采集設備使用“樹莓派”ARM 開發板。硬件電路能采集具有高信噪比的 BCG 信號，具有較低的工頻干擾噪聲、較高的肢體運動噪聲容忍度，能準確描繪出所測人體的呼吸與 BCG 波形等特點并與心電信號(Electrocardiogram，ECG)同步采集。信號處理器使用“樹莓派”ARM 開發板，其相應的操作系統開發文檔較為完善，適合在制作前期快速進行原型驗證。為驗證本文采集系統的準確性及所采集的BCG 信號的質量，使用本系統同步采集 BCG 信號與 ECG 信號。采集得到的信號如圖 2 所示，過濾掉呼吸信號后的 BCG 信號有著較強的規律性，每個心沖擊信號波群代表著一次心跳動作，對比同步記錄的心電信號可以證明這一規律性。初步驗證所設計的采集系統可以采集得到穩定可靠的人體 BCG 信號，表明可進一步的量化分析與研究。

圖1 雙電流-電壓變換電路組成的差分結構電路Fig.1 Differential circuit for transforming current to voltage

圖2 同步采集的 BCG 信號與 ECG 信號示意圖Fig.2 Synchronalized ECG signal and BCG signal

3 信號質量的影響因素分析

在信號采集過程中，BCG 信號質量受多重因素影響[17]，如傳感器擺放位置、受試者采集姿勢等。除此之外，由于 PVDF 傳感器的高靈敏度，受試者微小的體動也會影響所采集的 BCG信號的波形特征。本文對傳感器位置、床墊硬度、呼吸暫停和躺臥姿勢等影響 BCG 信號質量因素進行實驗分析。

3.1 傳感器位置影響

PVDF 傳感器實際上采集的是其表面的機械信號，因此傳感器擺放位置也會對心沖擊信號質量造成一定影響。圖 3 為采集信號所需的 3 個PVDF 傳感器(自頭部至腳方向將傳感器位置依次定義為上方、中間部位和下方)并行放置位置示意圖。其中，中間傳感器放置于心臟正下方，其余兩個傳感器分別置于其上方 5 cm(上)和下方5 cm(下)的位置。

圖3 傳感器擺放位置示意圖Fig.3 The location of the sensors

圖4 傳感器在不同位置采集得到的 BCG 信號示意圖Fig.4 BCG signals acquired at different locations

圖4 為 3 個傳感器同時采集得到的 BCG 信號波形圖。本文計算在 3 種情況采集原始信號的峰峰值、呼吸波峰峰值和心沖擊峰峰值等指標，其對比結果如表 1 所示。從表 1 可看出，位于中間的傳感器信號強度最高，呼吸與 BCG 信號占比均勻；位于上方的傳感器采集的呼吸信號較弱，BCG 信號相對突出；位于下方的傳感器呼吸信號則更突出。由此可以得出結論，BCG 信號強度最高的位置是心臟正下方對應心尖的部位，這與 BCG 信號產生的機理相符。從波形來看，位于心臟正下方傳感器采集得到的 BCG 信號周期性更好、信噪比更高，與標準 BCG 信號相似性更好，有利于進一步分析使用。這提示在采集信號時，將傳感器置于心臟正下方對應心尖的位置，所采集的 BCG 信號質量較好。

3.2 床墊硬度影響

心臟與肺部機械運動施加的反作用力將作用在 PVDF 傳感器與床墊上，不同硬度的床墊對PVDF 傳感器采集到的 BCG 信號有著較大影響。本文使用木質床板(硬質)、普通床墊(正常)和軟布折疊床(柔軟)進行測試。其中，隨機選取一名受試者分別在 3 種床上以平躺姿勢躺臥，傳感器與人體相對位置基本保持在人體心臟下方不變，仰臥躺好靜息 5 min 后開始記錄數據。最終挑選沒有體動干擾的數據作圖，具體如圖 5 所示。

三種情況下原始信號峰峰值與使用算法得到的呼吸波峰峰值、心沖擊信號峰峰值對比結果如表 2 所示。從表 2 可以看出，將傳感器置于適當厚度的床墊，原始信號中包含較為明顯的 BCG信號成分。其中，軟布折疊床(軟)所測得的原始信號中呼吸波信號成分更為明顯，而 BCG 成分較少；普通床墊床(正常)所測得的 BCG 信號中呼吸成分較弱，BCG 信號占比雖高，但幅值較低；木質床板(硬)所測得的 BCG 信號呼吸與心沖擊信號占比均勻，BCG 信號幅值較高，波形質量較好，有利于進一步的分析使用。由此可知，在采集信號時，使用硬質床板，采集的BCG 信號質量較好。

表1 傳感器放置位置對 BCG 信號的影響Table 1 The in fluence of the sensor location on BCG signal

圖5 床墊硬度對 BCG 信號的影響示例Fig.5 The influence of mattress hardness on BCG signal

3.3 躺臥姿勢影響

通過實驗發現，不同人的 BCG 信號形態特征有著細微差別，且對于同一個人來說，人體躺臥姿勢對 BCG 信號形態特征也有著較大影響。BCG 信號的測量數據定義有 3 個方向[16]：縱向(從頭至腳)、橫向(從身體的一側到身體的另一側)和腹背方向(從人體的后背到胸部)。本實驗探究了橫向(即側臥)和腹背方向(平躺)采集得到的 BCG 信號的區別。為直觀表達出不同躺臥姿勢的區別，采用提取 BCG 信號模板的方法來對比不同躺臥姿勢下 BCG 信號波形的區別。

在提取 BCG 信號模板的過程中，由于 BCG信號 J 波最為明顯且一般為一個周期中幅值最大的點，所以本文采取最大值提取算法提取 J 波峰值點，同時結合手動標注去除錯誤點并標注出算法沒有標記到的 J 波峰值點。在標記出的 J 波峰值點左右各取 125 點即時間為 1S 的序列，疊加后取平均值即可得到如圖 6 所示的 BCG 信號模板，其 J 波峰位于模板正中間。

圖6 提取 BCG 信號模板示例Fig.6 The template of BCG signals

圖7 躺臥姿勢對 BCG 信號的影響Fig.7 The effect of lying posture on BCG signals

表2 床墊硬度對 BCG 信號的影響Table 2 In fluence of mattress hardness on BCG signal

圖7 為同一位受試者側臥與平躺時 BCG 信號模板的變化。當受試者側臥時，人體 BCG 信號較為典型。但當受試者平躺面部向上時，人體 BCG 信號則相對較為簡化，J 波較為明顯，其他波峰則不是很明顯。這與 Bicen 等[20]所描述的這兩種 BCG 信號的區別相符，也驗證了本文所設計系統的可實施性。同時，基于側臥與平躺間BCG 信號的異同，通過比較不同時間的 BCG 信號模板可得知人體躺臥姿勢變化信息。這為后續應用人體 BCG 信號進行睡眠監護分析時判斷睡姿提供了可能性。

3.4 呼吸暫停影響

使用憋氣方法驗證呼吸暫停時對呼吸信號提取的影響。圖 8(a)為一段模擬從呼吸暫停到恢復狀態的原始信號，使用移動平均濾波處理后，效果如圖 8(b)所示?？梢钥闯?，經過處理后，基本能還原原始呼吸產生的波動，但呼吸暫停部分有毛刺現象出現。繼續使用 0.2 Hz 低通濾波對所提取的呼吸波進行處理后，毛刺消失，所得波形基本能反映呼吸變化情況(圖 8(c))。

圖8 模擬呼吸暫停過程提取呼吸信號的效果示例Fig.8 Example of extracting respiratory signals during apnea

4 討 論

本文基于 PVDF 傳感器，設計了能夠有效抑制外界電磁干擾，具有高信噪比的 BCG 信號采集設備。BCG 信號除了能反應心臟節律信息外，還能作為評估心臟血流動力學功能的有效依據。近年來，通過分析 BCG 信號對心肌功能進行評估的研究也越來越深入。已有研究表明，通過提取 BCG 信號的特征可以有效評估心臟的射血分數[20]。但這些基于 BCG 信號的心血管血流動力學研究都對 BCG 信號質量和波形特征的重復性和穩定性有著較高的要求。本文通過對比實驗的方式對 BCG 信號質量的影響因素進行了系統的分析研究。實驗結果表明，在臥姿采集 BCG信號時，應選擇較硬床墊、傳感器擺在心臟正下方的位置、受試者保持仰臥平躺姿勢，這樣采集得到的 BCG 信號波形效果最佳，更有利于進一步的血流動力學分析。

5 總結與展望

本設計利用 PVDF 傳感器的壓電特性，將傳感器鋪設于床墊上，采集人體心臟與肺部活動產生的機械信號，使用者無需佩戴傳感器或粘貼電極，只需躺在床上、坐在椅子上或站在平臺上就能夠檢測其心率、呼吸率等基本生理信號，做到心率與呼吸率的無感知測量。

通過與 ECG 信號進行對比，驗證了所設計系統采集 BCG 信號的有效性，同時從外部以及人體自身角度出發，探究了傳感器位置、床墊硬度、呼吸暫停、躺臥姿勢等因素對信號有效性的影響，提高了 BCG 信號的實用價值。相較于其他 BCG 信號采集系統的研究——大多數從電路、傳感器等方面入手[21]，而忽略了 BCG 信號采集因素的影響，本文系統地討論了幾項影響BCG 信號質量較為明顯的因素，為今后 BCG 信號采集系統的研究打下了基礎。

BCG 信號作為一種能夠無感知測量的生理信號，有著極大的應用前景。BCG 信號缺點在于不同人所反映的 BCG 信號形態有可能不是非常相似，即變異性較大，且受采集姿勢、體動影響較大，這就導致無法用肉眼觀察出 BCG 信號的規律性，也無法與有關疾病直接對應。隨著醫學檢查手段的進步，目前彩超、冠脈 CT、血管造影等手段已能清晰地了解心臟實時工作狀態，這意味著 BCG 信號作疾病診斷有了可靠的標準；且隨著深度學習技術的發展，通過深度學習或許可以找到信號的規律性或與現有可靠標準對接，使 BCG 信號具有更廣泛的應用價值，如遠程家庭監控、睡眠呼吸障礙、疾病診斷等。除此之外，將 BCG 信號采集系統應用于家用醫療監護床也是當前的一種趨勢。